Όσον αφορά τα στοιχεία, το πυρίτιο είναι δεύτερο μόνο στο οξυγόνο όταν πρόκειται για αφθονία στη Γη. Για αυτό και τις ιδιότητές του ως ημιαγωγού έχει από καιρό την ραχοκοκαλιά των ηλεκτρονικών. Το υλικό είναι σε όλα, από τσιπ υπολογιστών έως ραδιόφωνα. Είναι το ομώνυμο, εξάλλου, κόμβο του σύγχρονου κλάδου της τεχνολογίας στην Καλιφόρνια, τη Silicon Valley.
Μιλώντας για το ηλιόλουστο τεχνολογικό κεφάλαιο, το πυρίτιο είναι το κύριο στοιχείο που χρησιμοποιείται στα ηλιακά πάνελ. Τρεις επιστήμονες στην Bell Telephone Company του Νιου Τζέρσεϋ κατοχύρωσαν το πρώτο ηλιακό κύτταρο πυριτίου - το πρώτο ηλιακό κύτταρο που θεωρείται πρακτικό, με την ικανότητά του να μετατρέψει το 6% του εισερχόμενου φωτός σε χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρικό ρεύμα - στη δεκαετία του 1950. Το υλικό κυριαρχεί στην ηλιακή αγορά από τότε. Σήμερα, πάνω από το 90% των πάνελ που παράγονται παγκοσμίως είναι τα φωτοβολταϊκά πάνελ κρυσταλλικού πυριτίου.
Το πυρίτιο έχει κερδίσει τόση κατάσταση και επηρεάζει την αγορά, με ελάχιστο ανταγωνισμό στον ηλιακό χώρο, που λίγοι γνωρίζουν ότι υπάρχουν και άλλες επιλογές για την ηλιακή ενέργεια.
Οι περοβσκίτες ή οι κρυσταλλικές δομές είναι ένας νέος τύπος ηλιακού στοιχείου, κατασκευασμένο από κοινά στοιχεία όπως το ιωδιούχο μόλυβδο του μεθυλαμμωνίου. Οι περοβσκίτες είναι ευκολότερο να κατασκευαστούν και έχουν τη δυνατότητα να μετατρέψουν το φως του ήλιου σε ηλεκτρισμό με μεγαλύτερη ταχύτητα από τα κύτταρα πυριτίου. Η πρόκληση είναι ότι οι περοβσκίτες είναι εξαιρετικά εύθραυστες.
Οι επιστήμονες στο πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, ωστόσο, λαμβάνουν μια υπόδειξη από τη φύση. Για να καταστούν οι περνοσκίτες πιο ανθεκτικοί, έβλεπαν την ανθεκτική δομή ενός ματιού μύγας.
Το σύνθετο μάτι μιας μύγας αποτελείται από εκατοντάδες εξαγωνικά διαχωρισμένα μάτια έκαστο θωρακισμένο με οργανικό πρωτεϊνικό "ικρίωμα" για προστασία. Τα μάτια είναι οργανωμένα σε κυψελοειδή μορφή και όταν αποτύχει, τα άλλα λειτουργούν ακόμα. Ολόκληρο το όργανο εμφανίζει πλεόνασμα και αντοχή που οι ερευνητές ελπίζουν να αναδημιουργήσουν σε ηλιακούς συλλέκτες.
Οι ερευνητές έβαλαν τα ικριώματα γεμάτα με perovskite μέσω δοκιμών κατάγματος. (Dauskardt Lab / Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ) Ο Reinhold Dauskardt και η ομάδα μηχανικών επιστήμης των υλικών του δημιούργησαν ένα ικρίωμα σχήματος κηρήθρας, πλάτους μόλις 500 μικρών, από το τυπικό φωτοαντιστάσιμο υλικό ή υλικό ευαίσθητο στο φως. Για να δανειστεί ένα άλλο παράδειγμα από τη φύση, ακριβώς όπως μια μέλισσα δημιουργεί μια κηρήθρα και στη συνέχεια την γεμίζει με μέλι, οι επιστήμονες χτίζουν αυτή την προστατευτική δομή και στη συνέχεια κάνουν τον περοβσκίτη μέσα της. Περιστρέφουν μια λύση στοιχείων μέσα στο ικρίωμα, προσθέτουν θερμότητα και παρακολουθούν ότι κρυσταλλώνουν για να επιτύχουν τη δομή του perovskite και τις φωτοβολταϊκές του ιδιότητες. Οι επιστήμονες στη συνέχεια επενδύουν το ηλιακό κύτταρο με ηλεκτρόδιο αργύρου για να το σφραγίσουν και την ικανότητά του να συλλάβει ενέργεια.
Σε μια προκαταρκτική εργαστηριακή δοκιμή , τα ηλιακά κύτταρα Dauskardt, τα οποία είναι περίπου εξίσου ευρείς με έξι σκέλη τρίχας, διατηρούν τη δομή και τη λειτουργικότητά τους. Όταν εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες και υγρασία (185 βαθμούς Φαρενάιτ και 85% σχετική υγρασία) για έξι εβδομάδες, τα κύτταρα συνέχισαν να παράγουν ηλεκτρισμό σε σταθερά επίπεδα. Τα σκαλωσιά γύρω από τους περοβσκίτες δεν αποθάρρυναν από την ηλεκτρική παραγωγή τους.
Αυτό είναι ένα παιχνίδι που αλλάζει επίτευγμα. Πριν από αυτή την καινοτομία, ήταν πολύ δύσκολο για τους ερευνητές να χειραγωγούν και να δημιουργούν φωτοβολταϊκά κύτταρα perovskite, πόσο μάλλον για να επιβιώσουν στο περιβάλλον.
«Όταν μίλησα αρχικά για τις οργανικές φωτοβολταϊκές συσκευές, θα έλεγα, « αν αναπνέεις αυτά τα υλικά, θα αποτύχουν ». Στην περίπτωση των perovskites, λέω «αν τα κοιτάξετε, θα αποτύχουν», λέει ο Dauskardt, κύριος ερευνητής στη νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στην Ενέργεια και την Επιστήμη του Περιβάλλοντος .
Perovskites μπορεί να είναι έως και 100 φορές πιο εύθραυστη από το γυαλί. Αλλά με το ικρίωμα που χρησιμοποιείται για να το σκληρύνει, η μηχανική ανθεκτικότητα του κυττάρου αυξάνεται κατά ένα συντελεστή 30. Προσθέτει τόσο χημική όσο και μηχανική σταθερότητα στην κυψέλη έτσι ώστε οι ερευνητές να μπορούν να την αγγίξουν χωρίς να σπάσουν και να τις εκθέσουν σε υψηλές θερμοκρασίες με λιγότερες πιθανότητες αλλοίωση.
Όταν φωτίζονται από κάτω, τα εξαγωνικά ικρίματα είναι ορατά στις περιοχές του ηλιακού στοιχείου που είναι επενδεδυμένα με ηλεκτρόδιο αργύρου. (Dauskardt Lab / Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ) Οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο διερεύνησαν για πρώτη φορά το φωτοβολταϊκό κύτταρο perovskite ως εναλλακτική λύση στο φωτοβολταϊκό κύτταρο πυριτίου το 2009 και οι ερευνητές σε όλο τον κόσμο πήδησαν στο πεδίο. Τα ηλιακά κύτταρα Perovskite έχουν σίγουρα τα πλεονεκτήματά τους. Σε αντίθεση με τα κύτταρα πυριτίου, τα οποία απαιτούν επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας για να καθαριστούν και να κρυσταλλωθούν, τα ηλιακά κύτταρα perovskite είναι σχετικά απλά στην κατασκευή.
"Πρόκειται για μια σημαντική ανακάλυψη σε μία έρευνα σχετικά με την έρευνα περοβσκίτη, διότι επιλύει προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι έννοιες πρώιμου σταδίου στην πορεία προς την εμπορευματοποίηση", λέει ο Dick Co, διευθυντής επιχειρήσεων και εξάπλωσης στο ερευνητικό κέντρο Argonne-Northwestern Solar Energy Research (ANSER). Τούτου λεχθέντος, αναγνωρίζει ότι η ανάπτυξη δεν είναι καθολικά εφαρμόσιμη σε όλες τις ερευνητικές δραστηριότητες των ηλιακών κυττάρων του perovskite. Υπάρχουν τόσοι πολλοί τρόποι με τους οποίους μπορούν να κατασκευαστούν φωτοβολταϊκά κύτταρα και κάθε εργαστήριο έχει τη δική του εστίαση.
Δεδομένου ότι οι κρυσταλλικές δομές μπορούν να κατασκευαστούν από διάφορα στοιχεία, υπάρχουν επίσης πολλές αισθητικές δυνατότητες. Τα ηλιακά στοιχεία μπορούν να τοποθετηθούν σε παράθυρα, αυτοκίνητα ή άλλες επιφάνειες που εκτίθενται στο φως. Ορισμένες εταιρείες εκτυπώνουν ακόμη και τα κελιά.
Το Co υποπτεύεται ότι τα ηλιακά κύτταρα perovskite αρχικά θα επηρεάσουν τις εξειδικευμένες αγορές.
"Θα μπορούσα να δω ότι πωλούνταν σε φορτιστές πληκτρολογίων iPad, ενσωματώνονταν σε κτίρια και ίσως σε αυτοκίνητα, όπως η καμπύλη του αυτοκινήτου", λέει. "Αλλά είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς ένα [πρωτότυπο] perovskite ηλιακό κύτταρο μεγέθους μιας μικρογραφίας μεγάλης και ευρείας ανάπτυξης, ειδικά όταν τα ηλιακά εργοστάσια πυριτίου αντλούν αρκετές μονάδες για να καλύψουν μικρές χώρες".
Ωστόσο, με τη βελτίωση της αποδοτικότητας και της ανθεκτικότητας, οι ερευνητές βρίσκονται στο δρόμο να δημιουργήσουν μια κυψέλη έτοιμη να παράγει ηλεκτρισμό σε πολλά περιβάλλοντα. Οι ερευνητές ζήτησαν προσωρινό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας.
Στο νέο ηλιακό κύτταρο, χρησιμοποιείται ένα εξαγωνικό ικρίωμα (γκρι) για να διαχωρίσει τον περοβσκίτη (μαύρο) σε μικροκύτταρα για να παρέχει μηχανική και χημική σταθερότητα. (Dauskardt Lab / Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ) Στη δοκιμή του Dauskardt, τα κύτταρα πέτυχαν ποσοστό απόδοσης 15%, το οποίο είναι πολύ υψηλότερο από το πρώτο τεστ το 2009 που μετατρέπει το 4% του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα ποσοστά αποδοτικότητας του πάνελ πυριτίου είναι περίπου 25%, και στο εργαστήριο, οι περοβσκίτες έχουν φτάσει πάνω από 20%. Οι ερευνητές έχουν υπολογίσει τη θεωρητική ικανότητα απόδοσης φωτοβολταϊκών περοβσκίτη σε περίπου 30 τοις εκατό.
Ο Dauskardt πιστεύει ότι η ομάδα του μπορεί να είναι σε θέση να βελτιώσει το ικρίωμα, αρχικά κατασκευασμένο με φθηνά, εύκολα διαθέσιμα υλικά, για να αυξήσει την απόδοση του κυττάρου.
"Ήμασταν τόσο έκπληκτοι ότι θα μπορούσαμε να φτιάξουμε το ένα όσο πιο εύκολα μπορούσαμε. Τώρα το ερώτημα είναι, υπάρχουν καλύτερα σκαλωσιά που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε; Πώς μπορούμε να ανακτήσουμε το φως που θα πέσει πάνω στον τοίχο σκαλωσιάς; "λέει ο Dauskardt. Ο ίδιος και οι συνεργάτες του σχεδιάζουν να πειραματιστούν με υλικά που διασκορπίζουν τα ελαφρά σωματίδια.
Με τις δυνατότητες φτηνής κατασκευής, σχετικά γρήγορης εμπορευματοποίησης (εκτιμήσεις Dauskardt μέσα στα επόμενα τρία έως πέντε χρόνια) και εκπληκτικά ποικίλες εφαρμογές, η ηλιακή κυψέλη perovskite μπορεί να κάνει μόνο για το επόμενο μεγάλο ηλιακό πάνελ 2020s και πέρα.
Έτσι, όταν αυτή η μύγα βουίζει στο αυτί σας, βεβαιωθείτε ότι η φύση, σε όλες τις μορφές της, εμπνέει.
